Un equipo de investigación dirigido por DESY ha estado utilizando rayos X de alta intensidad para observar una sola nanopartícula catalizadora en funcionamiento. El experimento ha revelado por primera vez cómo cambia la composición química de la superficie de una nanopartícula individual en las condiciones de reacción. haciéndolo más activo. El equipo dirigido por Andreas Stierle de DESY presenta sus hallazgos en la revista Avances de la ciencia . Este estudio marca un paso importante hacia una mejor comprensión de los materiales catalíticos industriales.

Los catalizadores son materiales que promueven reacciones químicas sin consumirse. Hoy dia, Los catalizadores se utilizan en numerosos procesos industriales, desde la producción de fertilizantes hasta la fabricación de plásticos. Debido a esto, los catalizadores son de enorme importancia económica. Un ejemplo muy conocido es el convertidor catalítico instalado en los sistemas de escape de los automóviles. Estos contienen metales preciosos como platino, rodio y paladio, que permiten convertir el monóxido de carbono (CO) altamente tóxico en dióxido de carbono (CO ₂ ) y reducir la cantidad de óxidos de nitrógeno nocivos (NO _X ).

"A pesar de su uso generalizado y gran importancia, todavía ignoramos muchos detalles importantes de cómo funcionan los diversos catalizadores, "explica Stierle, director del DESY NanoLab. "Es por eso que durante mucho tiempo hemos querido estudiar catalizadores reales mientras están en funcionamiento". Esto no es facil, porque para hacer la superficie activa lo más grande posible, Los catalizadores se utilizan normalmente en forma de pequeñas nanopartículas, y los cambios que afectan su actividad ocurren en su superficie.

La deformación superficial se relaciona con la composición química

En el marco del proyecto de la UE Nanocience Foundries and Fine Analysis (NFFA), el equipo de DESY NanoLab ha desarrollado una técnica para etiquetar nanopartículas individuales e identificarlas en una muestra. "Para el estudio, cultivamos nanopartículas de una aleación de platino-rodio en un sustrato en el laboratorio y etiquetamos una partícula específica, "dice el coautor Thomas Keller de DESY NanoLab y responsable del proyecto en DESY." El diámetro de la partícula etiquetada es de alrededor de 100 nanómetros, y es similar a las partículas que se usan en el convertidor catalítico de un automóvil. "Un nanómetro es una millonésima parte de un milímetro.

Utilizando rayos X de la instalación europea de radiación de sincrotrón ESRF en Grenoble, Francia, el equipo no solo pudo crear una imagen detallada de la nanopartícula; también midió la tensión mecánica dentro de su superficie. "La deformación superficial está relacionada con la composición de la superficie, en particular, la proporción de átomos de platino a rodio, "explica el coautor Philipp Pleßow del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT), cuyo grupo calculó la deformación en función de la composición de la superficie. Al comparar la deformación dependiente de facetas observada y calculada, Se pueden sacar conclusiones sobre la composición química en la superficie de la partícula. Las diferentes superficies de una nanopartícula se denominan facetas, como las facetas de una piedra preciosa tallada.

Cuando se cultiva la nanopartícula, su superficie se compone principalmente de átomos de platino, ya que esta configuración se favorece energéticamente. Sin embargo, los científicos estudiaron la forma de la partícula y su deformación superficial en diferentes condiciones, incluidas las condiciones de funcionamiento de un convertidor catalítico de automoción. Para hacer esto, calentaron la partícula a unos 430 grados Celsius y permitieron que las moléculas de oxígeno y monóxido de carbono pasaran sobre ella. "En estas condiciones de reacción, el rodio dentro de la partícula se vuelve móvil y migra a la superficie porque interactúa más fuertemente con el oxígeno que el platino, "explica Pleßow. Esto también lo predice la teoría.

"Como resultado, la deformación superficial y la forma de la partícula cambian, "informa el coautor Ivan Vartaniants, de DESY, cuyo equipo convirtió los datos de difracción de rayos X en imágenes espaciales tridimensionales. "Tiene lugar un enriquecimiento de rodio dependiente de las facetas, mediante el cual se forman esquinas y bordes adicionales. "La composición química de la superficie, y la forma y el tamaño de las partículas tienen un efecto significativo sobre su función y eficiencia. Sin embargo, los científicos apenas están comenzando a comprender exactamente cómo están conectados y cómo controlar la estructura y composición de las nanopartículas. Los rayos X permiten a los investigadores detectar cambios de tan solo 0,1 en mil en la cepa, que en este experimento corresponde a una precisión de aproximadamente 0,0003 nanómetros (0,3 picómetros).

Paso crucial hacia el análisis de materiales de catalizadores industriales

"Ahora podemos, por primera vez, observar los detalles de los cambios estructurales en tales nanopartículas de catalizador mientras están en funcionamiento, "dice Stierle, Científico principal de DESY y profesor de nanociencia en la Universidad de Hamburgo. "Este es un gran paso adelante y nos está ayudando a comprender toda una clase de reacciones que utilizan nanopartículas de aleación". Los científicos de KIT y DESY ahora quieren explorar esto sistemáticamente en el nuevo Centro de Investigación Colaborativa 1441, financiado por la Fundación de Investigación Alemana (DFG) y titulado "Seguimiento de los sitios activos en catálisis heterogénea para el control de emisiones (TrackAct)".

"Nuestra investigación es un paso importante hacia el análisis de materiales catalíticos industriales, ", Señala Stierle. Hasta ahora, los científicos han tenido que desarrollar sistemas modelo en el laboratorio para poder realizar tales investigaciones. "En este estudio, hemos llegado al límite de lo que se puede hacer. Con el microscopio de rayos X PETRA IV planeado por DESY, Podremos ver partículas individuales diez veces más pequeñas en catalizadores reales, y bajo condiciones de reacción ". DESY es uno de los principales centros aceleradores de partículas del mundo e investiga la estructura y función de la materia, desde la interacción de diminutas partículas elementales y el comportamiento de nuevos nanomateriales y biomoléculas vitales hasta los grandes misterios del universo. Los aceleradores y detectores de partículas que DESY desarrolla y construye en sus ubicaciones en Hamburgo y Zeuthen son herramientas de investigación únicas. Generan la radiación de rayos X más intensa del mundo. acelerar las partículas para registrar energías y abrir nuevas ventanas al universo. DESY es miembro de la Asociación Helmholtz, La asociación científica más grande de Alemania, y recibe su financiación del Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania (BMBF) (90 por ciento) y de los estados federales alemanes de Hamburgo y Brandeburgo (10 por ciento).